1、引言

　　钛(Ti)及其合金具有低密度、高强度、优异耐腐蚀性等特点，最初应用于航空工业。20世纪40年代初，钛及其合金首次被引入医学领域。经过半个多世纪的发展，纯钛和Ti6A14V合金作为最具代表性的钛基医用金属材料，在许多医学临床中得到应用，特别是在骨科和口腔科领域中大量替代不锈钢和钴基合金。然而钛合金是一类生物惰性材料，自身没有抗菌性能，对植入物引发的感染问题无能为力。目前通常采用磁控溅射、电化学沉积、离子注入、微弧氧化等方法在医用钛合金表面加载无机或有机抗菌剂，从而赋予其抗菌性能。通过表面改性制备的抗菌涂层的优点显而易见，但仍存在不足，如涂层工艺相对复杂、生产成本增加、涂层与基体之间的结合性差、涂层易磨损、长期的抗菌性能较差等。针对植入钛合金引发的感染问题和抗菌涂层的不足，人们开始尝试通过调整合金成分来开发自身具有抗菌功能的新型抗菌钛合金。

　　2、抗菌钛合金的抗菌机理

　　细菌的传播与细菌生物膜的形成密切相关，细菌生物膜的形成过程如图1所示。浮游细菌在材料基体着陆后生长和繁殖，形成细菌生物膜。生物膜表面是一层致密的细胞外基质，这层细胞外基质结构坚固，强度高，内部包裹的细菌接触紧密，增强了细菌之间的相互作用和物质交换，同时避免外部破坏物质进入。所以生物膜形成后不易受到抗生素、防腐剂及其他外界化学品的干扰，因此很难被常用的抗生素清除掉。

图1 细菌生物膜的形成过程

　　抗菌钛合金的抗菌机理可以分为以下4步：①抗菌金属表面释放具有抗菌功能的金属离子；②带负电荷的细菌细胞与带正电的金属离子之间相互吸引，金属离子被吸收进细菌的细胞壁；③金属离子破坏细菌的细胞壁和细胞膜，或破坏其蛋白质结构，使细胞质泄露；④金属离子进一步穿透细菌的细胞壁，与细菌的DNA结合，导致细菌变性和复制能力的丧失。不论是破坏细胞壁，还是破坏遗传物质，都会导致细菌死亡。

　　3、研究进展

　　3.1 Ti-Ag抗菌钛合金

　　银(Ag)作为合金化元素，可改善钛基金属的耐腐蚀性能和力学性能。Takahashi等研究发现，添加20wt%Ag可以提高铸造钛合金的强度和耐磨性，同时保持较高的延伸率。Shim等证明Ti-Ag合金具有比纯钛更优的耐腐蚀性能。Ag还具有良好的生物相容性，Ag-Hg合金已被用作牙科材料。含Ag涂层具有优异的抗菌性能已被很多研究所证实，因此，在钛及其合金中添加合适的Ag，有可能获得具有一定抗菌性能的含Ag钛合金。然而，即使有些Ti-Ag合金中的Ag含量非常高，甚至达到20wt%，但其并没有显示出显著的抗菌作用，说明含Ag钛合金的抗菌作用并不只由Ag含量这一因素所决定。

　　Zheng等在TiNi形状记忆合金中加入2.9wt%Ag，获得的铸态TiNi合金表现出一定的抗菌性能，对金黄色葡萄球菌的抑菌率达到86.3%。Chen等采用不同含量和不同粒径的Ag粉和纯钛粉一起烧结，获得了系列Ti-xAg合金（x=1,3,5），对其力学性能、腐蚀性能、抗菌性能及体外细胞相容性进行了表征和评价。如图2所示，Ag粉粒径10μm的Ti-Ag合金的抗菌性高于Ag粉粒径75μm的Ti-Ag合金，与Ag离子释放量的规律相反，Ag粉粒径10μm的Ti-Ag合金的离子释放量低于Ag粉粒径75μm的Ti-Ag合金，说明Ti-Ag合金的抗菌性能应与基体上存在的纳米/微米级复合银粒子密切相关。

图2 纯Ti和Ti-Ag合金表面的细菌菌落

　　3.2 Ti-Cu抗菌钛合金

　　2009年，Shirai等首次研究了Ti-xCu(x=1,5)合金的抗菌作用，结果表明Ti-1Cu对大肠杆菌具有显著的抗菌性能，并具有良好的生物安全性，拉开了含铜钛合金作为医用金属材料研究的帷幕。随后，Zhang等采用粉末冶金方法制备出Ti-10wt%Cu合金，并对合金的抗菌性能、力学性能和腐蚀性能进行了研究，如图3所示，Ti-10 Cu合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有显著的杀灭作用。对Ti-10Cu合金的骨内植入试验结果表明，Ti-10Cu合金具有良好的骨细胞相容性。进一步研究结果表明，在钛中至少加入5%的Cu才会有明显的抗菌作用。以抗菌抗感染为目的，中国科学院金属研究所开发出系列具有抗菌功能的含铜钛合金，并开展了大量的体外及动物体内试验研究。Cu在Ti中的固溶度很低，从高温冷却至790℃时，过饱和的Cu以Ti2Cu金属间化合物析出，其与基体之间存在的电位差会促进合金在生理环境中释放微量铜离子，从而起到强烈的杀菌作用。

图3 Ti-10Cu对黄金葡萄球和大肠杆菌的杀灭效果

　　3.3 Ti6Al4V-Cu抗菌钛合金

　　Peng等对热加工后的Ti6Al4V-xCu(x=4.5,6,7.5)合金进行了综合性能优化。研究结果表明，为使合金获得最佳的力学性能、耐腐蚀性能和耐磨性能，三组合金热加工后的最佳热处理工艺分别为在720℃、740℃和760℃保温1h后空冷，在图4中分别用4.5Cu-720、6Cu-740和7.5Cu-760表示。三组合金的抗菌试验和细胞毒性试验结果如图4所示，由图4(a)-(d)可知，与Ti6Al4V合金共培养后的细菌菌落较多，而与Ti6A14V-Cu合金共培养后的细菌菌落数较少，表明含铜钛合金具有较强的抗菌性能。图4(e)为Ti6Al4V-xCu合金的抗菌率，可见4.5Cu-720样品的抗菌率约为80%,随Cu含量增加，合金的抗菌率略有上升，表明抗菌性能有所提高。由图4(f)可知，与细胞共培养1天和3天时，Ti6A14V-Cu合金与Ti6A14V合金的吸光度值差别不大；但在7天时，7.5Cu-760的数值显著低于Ti6A14V合金，表明其在7天时具有一定的细胞毒性。由此可见，对于Ti6A14V-xCu合金，Cu含量应不高于6%，否则在较长时间后，合金会呈现出一定的细胞毒性。

　　图4 Ti6A14V (a)4.5Cu-720；(b)6Cu-740；(c)7.5Cu-760；(d)合金共培养后的细菌生长形貌；(e)Ti6Al4V合金的抗菌率对比图；(f)细胞与不同合金共培养1天、3天和7天后的吸光度值